Síntese de nanopartículas de carbono luminescentes e sua aplicação em membranas

Abstract

Pontos de carbono (C-dots) luminescentes foram produzidos utilizando a rota química (método bottom-up) pela carbonização a baixa temperatura do engaço de uva, um resíduo agroindustrial sazonal, de baixo custo e com elevado teor de carbono. Diferentes temperaturas de carbonização (220, 280 360, 600 e 800 °C) foram investigadas para a obtenção de C-dots provenientes do engaço de duas variedades de uva, Cabernet Sauvignon e Isabel, sendo este último mais estável termicamente de acordo com os resultados de análise térmica. Análises de caracterização confirmaram a formação de C-dots luminescentes, de formato quase esférico, com diâmetro médio inferior a 10 nm e estrutura amorfa. A espectroscopia de absorção no UV-Vis revelou perfis de absorção característicos para este tipo de nanopartículas e a emissão de fluorescência dos C-dots evidenciou comportamentos emissivos típicos, tais como espectro de emissão amplo e dependência da intensidade e do máximo de emissão com o comprimento de onda de excitação. A amostra sintetizada a partir do engaço de uva Isabel a 220 °C apresentou a maior intensidade de emissão no intervalo entre 400-500 nm para excitação em 360 nm. As análises de espectroscopia na faixa do infravermelho e de fotoelétrons excitados por raios X confirmaram a presença de grupos funcionais de superfície, que conferem elevada dispersão em água, hidrofilicidade, estabilidade química e também são apontados como os responsáveis pela luminescência dos C-dots. Os resultados indicam, portanto, a viabilidade de obtenção de C-dots luminescentes a partir de uma fonte de carbono renovável e um processo de síntese simples, sem necessidade de etapa adicional de passivação para incremento da fotoluminescência. Neste trabalho também foi avaliado o efeito de incorporação de C-dots em membranas poliméricas de PES/DMSO e PES/DMF, preparadas a partir da técnica de inversão de fases. Resultados preliminares indicam que a incorporação de C-dots em membranas PES/DMSO não altera sua permeância hidráulica e características hidrofílicas. Contudo, para as membranas densas PES/DMF foi observado um aumento na permeabilidade e na seletividade para o par de gases CO2/N2, quando incorporadas de C-dots.

Luminescent carbon dots (C-dots) were obtained from a simple one-step green method through low temperature carbonization of grape stalks, a seasonal and low-cost agro-industrial waste with a high carbon content. Different carbonization temperatures (220, 280, 360,600, and 800 °C) were experimented on two grape stalk varieties, Cabernet Sauvignon and Isabel, this last one being more thermally stable according to the thermogravimetric analysis. Characterization results confirmed luminescent C-dots formation, with an average size less than 10 nm, nearly spherical structures and amorphous nature. UV-vis absorption spectroscopy revealed C-dots characteristic profiles and the fluorescence emission highlighted a typical photophysical behavior, such as wide emission spectra and the dependence of the intensity and maximum emission on the excitation wavelength. A higher emission intensity was observed in the 400-500 nm range for C-dots from the Isabel grape stalk sample, synthesized at 220 °C, under 360 mm excitation. Infrared spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy confirmed the presence of functional groups on the C-dots surface, which provide solubility, hydrophilicity, stability and are also related to the luminescence property. Therefore, the results indicate the viability of producing luminescent C-dots from a renewable carbon source, adopting a simple synthesis method with no need of any subsequent passivation steps for photoluminescence increment. This work has also evaluated the effect of C-dots incorporation on polymeric membranes of PES/DMSO and PES/DMF, prepared by the phase separation technique. Preliminary results indicate that the C-dots incorporation does not change the hydraulic permeation and hydrophilic characteristics of PES/DMSO membranes. However, a promising influence of C-dots was observed regarding the permeability and CO2/N2 selectivity of PES/DMF dense membranes.